CN114910968A - 正交源频率域地空电磁倾子散度探测与成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于频率电磁勘探领域，尤其是一种正交源频率域地空电磁倾子散度探测与成像方法及系统，适用于地表环境复杂，地面人员难以进入区域的三维异常目标快速识别与定位。该方法通过地面正交场源发射电磁激励信号，利用移动平台搭载三分量磁传感器测量空中三分量磁场幅值相位获取磁场倾子，并通过不同频率倾子散度对地下不同深度结构进行成像。该方法能够快速有效识别地下异常目标位置和边界分布，提高了目标识别和精细探测能力。

Description

正交源频率域地空电磁倾子散度探测与成像方法及系统

技术领域

本发明属于频率电磁勘探领域，尤其是一种正交源频率域地空电磁倾子散度探测与成像方法及系统，适用于地表环境复杂，人员难以进入区域的三维异常目标快速勘查。

背景技术

地空电磁探测方法，或称半航空电磁法，是在地面电磁探测方法和航空电磁探测方法的基础上发展起来的一种新型的电磁探测方法。地空电磁探测方法通过在地面布置人工发射源，空中飞行平台搭载接收系统探测目标区域。该方法综合了地面电磁探测方法和航空电磁探测方法优势，具有探测效率高、探测深度大、探测成本低等特点，可以在城区、沿海滩涂、山区密林、丘陵沼泽等复杂地形区域开展工作，在地下范围内(0-2000m)资源勘探和工程勘察领域具有良好的发展前景和应用价值。地空频率域电磁探测方法通过发射不同频率的电流波形来获取不同深度的地下电阻率信息，实现对地下空间电性结构探测。该方法在发射电流期间采集磁场信号，信噪比较高，测线与发射源的最小距离一般不低于2km，适合于中远区大面积范围详细勘查。

CN104597506A公开了一种频率域地空电磁勘探方法，该方法采用地面发射，空中接收电磁波信号的工作模式，提取信号的频谱并通过全区视电阻率法反演解释地下电性结构。此方法适用于地表条件恶劣区域的深部探测，具有探测范围广、探测深度大、探测效率高等特点。但是存在场源效应，不能直接定位异常体的位置，并且对三维异常目标识别能力较弱。另外，全区视电阻率反演解释过程时间较长，难以满足野外实际快速探测需求。

CN103869371A公开了一种人工场源频率域全梯度电磁测量方法。在测区内布置测线和测点；人工场源发射不同频率电磁波，通过测量单元完成测区内所有测点上对应发射频率下电磁场信号的测量；采用差分求取相关测点的电磁场梯度信号；根据测得的电磁场梯度信号对地下介质的电磁梯度信息进行反演实现对地下目标体的勘探。但是该方法主要针对地面探测，对空中测量适用性较差。另外，该方法只有边界分辨的能力，无法识别异常区域，对三维异常目标识别和定位能力较弱。

CN109541695B公开了一种人工场源频率域电场梯度远区视电阻率快速成像方法，包括数据预处理，电场梯度计算，电场梯度视电阻率计算，空间成像将测量频率对应转换为视深度绘制测线上的视电阻率-视深度拟断面图。但是这个方法是对电场进行梯度分析，不适用于空中电磁场的解释和分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种正交源频率域地空电磁倾子散度探测与成像方法及系统，解决存在的无法识别三维异常位置及边界，以及不满足没有空中电场解释的问题。

本发明是这样实现的，

一种正交源频率域地空电磁倾子散度探测与成像方法，该方法包括：

采用地面正交场源发射系统发射交变电流，并采集正交场源发射系统的交变电流，空中移动平台搭载接收系统测量不同频率正交场源产生的双源磁场数据以及接收传感器对应的空间位置信息和时间信息，利用采集的交变电流数据以及双源磁场数据获取磁场倾子散度对地下电阻率结构异常目标进行成像和识别。

进一步地，所述正交场源发射系统包括发射电源、逆变装置和正交方向布设的两条接地发射天线作为发射源S1和发射源S2，每条发射天线依次发射目标频点激励电流。

进一步地，对采集的交变电流数据以及双源磁场数据获取磁场倾子散度对地下电阻率结构异常目标进行成像和识别包括：

提取测量过程中传感器经纬度和高度信息，利用坐标投影方法，将经纬度和高程信息转化为发射源对应坐标系的(x,y,z)坐标，以时间和空间信息为基准，获取空间位置R_i对应的发射源S1工作时间点t_1i和发射源S2工作时间点t_2i；

对采集的电流数据进行时频变换处理，获取时间点t_1i和t_2i处两个发射源在目标发射频点f_k上电流的幅值相位I_S1(A_fk,θ_fk,t_1i)和I_S2(A_fk,θ_fk,t_2i)，转换为相量形式

和

对采集的双源磁场数据进行时频变换，获取时间点t_1i和t_2i处两个发射源在目标发射频点f_k上产生的三分量磁场的幅值相位，转换为相量形式

按照相同的时间点t_1i、t_2i和目标发射频点f_k，对空中采集的双源磁场数据进行归一化处理，获取空间位置R_i处单位电偶极矩激励下空中磁场值，

其中，

式中，L₁和L₂分别位发射源S1和发射源S2长导线的长度；

对获取的双源归一化磁场信息进行磁场数据融合，分别提取磁场倾子、倾子矢量和倾子散度，利用倾子散度对测量区域进行面积性成像，识别异常目标空间分布特征。

进一步地，基于归一化双源磁场数据，获取空间位置R_i，目标发射频点f_k时的x和y方向的磁场倾子分量T_zx和T_zy：

分别提取磁场倾子分量T_zx和T_zy的实部，获取观测位置R_i处，目标发射频点f_k时的倾子矢量A_r(f_k,R_i)，其中，

式中，

和

分别为x方向和y方向磁场倾子实部，

和

为正交单位矢量；

在整个测区内，求取所有观测点位置的倾子矢量，求取每个测点上倾子实感应矢量散度DTV，利用倾子散度值，结合对应空间平面位置，对某个目标发射频点f_k进行x和y反向2维平面成像，其中，

按照频点顺序，由高频至低频依次对二位倾子散度图像沿Z轴方向排列，获取空间三维倾子散度成像，其中，高频对应深部结构，低频对应深部结构。

进一步地，DTV成像正值指示地下高阻异常结构，DTV负值指示低阻异常结构，DTV为0值指示大地电阻率均匀分布，DTV异常中心和边界对应电阻率结构异常中心与边界。

一种正交源频率域地空电磁倾子散度探测系统，该系统包括：

工作于地面的发射系统、空中移动平台搭载接收系统以及GPRS远程监控系统，其中，发射系统包括正交发射源和发射电流记录装置，每个发射源通过接地长导线向地面发射含有多个频率成分的正负交流双极性波，发射电流记录装置记录每次发射的发射电流，接收系统包括飞行器携带的三分量磁传感器和接收机，在GPRS远程监控系统的监控下测量空中的磁场信号和传感器空间位置和时间信息。

进一步地，所述三分量磁传感器按照预先设定的测网测线飞行，测量正交发射源在目标频点产生的交变磁场信号，同时以时间为基准记录采集时刻三分量磁传感器的空间位置信息。

进一步地，该系统包括成像模块，用于对采集的交变电流数据以及双源磁场数据获取磁场倾子散度对地下电阻率结构异常目标进行成像和识别。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明正交源倾子散度异常能够对异常体的高低阻性质进行区分。

通过倾子散度成像可以识别多个距离相近的异常体，并可以直接识别异常体的位置和方向，倾子散度成像对异常体的探测更为有效。

通过DTV成像直接利用观测数据成图，不需要多次迭代来拟合观测数据，成像时间短。

附图说明

图1为本发明实施例提供的频率地空电磁勘探系统示意图；

图2为本发明实施例关于不同异常体走向提供的视电阻率和倾子散度成像结果对比，(白色虚线所示为异常体所在位置)。视电阻率成像结果：(a)异常体为低阻异常；(b)异常体为高阻异常；(c)异常体为低阻异常；(d)异常体为高阻异常； DTV成像结果：(e)异常体为低阻异常；(f)异常体为高阻异常；(g)异常体为低阻异常；(h)异常体为高阻异常。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示为频率地空电磁勘探与成像系统示意图，地空电磁勘探系统由工作于地面的正交发射场源1、、工作于空中的接收系统2、工作于地面的电流记录装置3、以及工作于地面的远程监控系统4组成。发射系统包括正交发射源和和发射电流记录装置。每个发射源通过接地长导线向地面发射含有多个频率成分的正负双极性交流方波。接收系统包括飞行器5携带的磁传感器7和接收机6，工作状态监控系统4的监控下测量空中的磁场信号以及空间和时间信息。还包括成像模块，利用采集的交变电流数据以及双源磁场数据获取磁场倾子散度，实现对地下电阻率结构异常目标进行成像和识别。

本发明一种正交源频率域地空电磁倾子探测与成像方法，包括：

A根据测量任务和目标确定测区位置、发射系统的位置及发射频率，并在测区正上方沿垂直或平行接地长导线方向设计测线。在地面相近位置布设正交场源发射系统，包含发射电源、逆变装置和正交方向布设的两条接地发射天线 (S1、S2)组成，每条发射天线依次发射目标频点激励电流。其中发射电源和逆变装置的功率范围在100kW至200kW，每条天线长度在500m到5000m，配置独立的逆变和控制装置，能够独立发射宽频电磁激励波形。发射目标频点频率按照公式：

进行估算，按照实际工作需求和仪器设备参数进行修正，其中式中，f_k为估算目标发射频点，单位Hz；h_k为目标探测深度，单位米；ρ_a为测区平均电阻率值，单位为Ω·m。

其中，发射源S1发射导线长度1.5km，发射源S2导线长度1.5km，按照发射源S1方向定义x轴方向，发射源S2定义为y轴方面，垂直于地表向上定义为z轴，发射目标频点频率是256Hz。

B，地面发射系统稳定工作后，采用地面电流站测量发射电流数据，空中移动平台搭载三分量磁场传感系统，移动平台选用长航时旋翼机，三分量磁传感器系统选用磁通门MAG-03，按照预先设定的测网测线以5m/s飞行，测量发射源S1和发射源S2在目标频点产生的交变磁场信号，同时以时间为基准运用 GPS定位系统来记录采集时刻传感器空间位置等信息。其中，测量发射源S1 产生的磁场信号包括x、y、z三个方向上的磁场分量。测量发射源S2产生的磁场信号包括x、y、z三个方向上的磁场分量。空间传感器位置信息包括海拔高度、经纬度坐标等信息。

C、提取测量过程中经纬度和高度信息，利用坐标投影方法，将经纬度和高程信息转化为发射源对应坐标系的(x，y，z)坐标。以时间信息为基准，获取测区目标位置R_i处对应的发射源S1工作时间t_1i和发射源S2工作时间t_2i；

D、对发射源采集的电流数据进行时频变换处理，以时间信息为基准，分别提取发射源S1和S2在t_1i和t_2i时刻目标频点上幅值和相位，进一步转换为相量形式。其中，在目标发射频点f_k上电流的幅值相位分别是I_S1(A_fk,θ_fk,t_1i)和 I_S2(A_fk,θ_fk,t_2i)，进一步转换为相量形式表示为：

和

D、对采集的空中磁场数据进行时频变换，获取t_1i和t_2i时刻两个发射源在目标发射频点上产生的三分量磁场的幅值相位，进一步转换为相量形式

其中，

表示发射源为S1，目标发射频点为f_k，工作时间为t_1i的 x轴分量的磁场向量。

表示发射源为S1，目标发射频点为f_k，工作时间为t_1i的y轴分量的磁场向量。

表示发射源为S1，目标发射频点为f_k，工作时间为t_1i的z轴分量的磁场向量。

表示发射源为S2，目标发射频点为f_k，工作时间为t_2i的x轴分量的磁场向量。

表示发射源为S2，目标发射频点为f_k，工作时间为t_2i的y轴分量的磁场向量。

表示发射源为S2，目标发射频点为f_k，时间段为t_2i的z轴分量的磁场向量。

E、按照相同观测位置R_i的对应发射源S1和S2工作时间t_1i、t_2i和目标发射频点f_k，对空中采集的双源磁场数据进行归一化处理，获取位置R_i单位电偶极矩激励下空中磁场值，

其中

其中

其中，

表示发射源为S1，目标发射频点为f_k，t_i处观测点的位置 R_i,归一化后的磁场x轴分量。

表示发射源为S1，目标发射频点为f_k，t_i处观测点的位置R_i,归一化后的磁场y轴分量。

表示发射源为S1，目标发射频点为f_k，t_i处观测点的位置R_i,归一化后的磁场z轴分量。

表示发射源为S2，目标发射频点为f_k，t_i处观测点的位置R_i,归一化后的磁场x轴分量。

表示发射源为S2，目标发射频点为f_k，t_i处观测点的位置R_i,归一化后的磁场y轴分量。

表示发射源为S2，目标发射频点为f_k，t_i处观测点的位置R_i,归一化后的磁场z轴分量。

G、进行磁场数据融合，分别提取磁场倾子、倾子矢量和倾子散度。利用倾子散度对测量区域进行面积性成像，识别异常目标空间分布特征。

频率地空电磁勘探方法步骤G所述的数据整理按以下步骤进行： a、基于归一化双源磁场数据，按照公式(7)和公式(8)获取空间位置R_i，频率f_k时的x和y方向的磁场倾子分量T_zx和T_zy。

分别提取磁场倾子分量T_zx和T_zy的实部，按照公式(9)获取观测位置R_i处，频率 f_k时的倾子矢量A_r(f_k,R_i)。

在整个测区内，求取所有观测点位置的倾子矢量。按照公式(10)求取每个观测点上倾子实感应矢量散度DTV，利用倾子散度值，结合对应空间平面位置，对某个频点f_k进行x和y反向2维平面成像，二次场实感应矢量散度值成像如图2所示。

b、按照频点顺序，由高频至低频依次对二位倾子散度图像沿Z轴方向排列，可获取空间三维倾子散度成像。其中，高频对应深部结构，低频对应深部结构，近似深度参照公式

其中，发射频率256Hz，测区平均电阻率1000Ω·m，可得大致测量深度 700m。

图2是对异常体视电阻率成像结果和倾子散度成像结果，可以清楚地看出视电阻率成像无法清晰分辨出两个相近异常体，倾子散度可以分辨出相近异常，可以得出倾子成像在分辨相近异常体中具有优势。关于不同异常体走向提供的视电阻率和倾子散度成像结果对比，(白色虚线所示为异常体所在位置)。视电阻率成像结果：(a)异常体为低阻异常；(b)异常体为高阻异常；(c)异常体为低阻异常；(d)异常体为高阻异常；DTV成像结果：(e)异常体为低阻异常；(f)异常体为高阻异常；(g)异常体为低阻异常；(h)异常体为高阻异常。可以清楚地看出利用倾子散度成像技术可以直接识别异常体的位置和方向，而视电阻率成像无法识别出异常体具体走向，只有大概位置。

表1是针对图2视电阻率和倾子散度成像时间进行对比，相同的数据点，同一个异常体，倾子散度成像时间明显短于视电阻率成像时间。

表1

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种正交源频率域地空电磁倾子散度探测与成像方法，其特征在于，该方法包括：

采用地面正交场源发射系统发射交变电流，并采集正交场源发射系统的交变电流，空中移动平台搭载接收系统测量不同频率正交场源产生的双源磁场数据和传感器的时间、空间位置信息，利用采集的交变电流数据、双源磁场数据以及传感器的时间、空间位置信息获取磁场倾子散度对地下电阻率结构异常目标进行成像和识别。

2.按照权利要求1所述的正交源频率域地空电磁倾子散度探测与成像方法，其特征在于，所述正交场源发射系统包括发射电源、逆变装置和正交方向布设的两条接地发射天线作为发射源S1和发射源S2，每条发射天线依次发射目标频点激励电流。

3.按照权利要求2所述的正交源频率域地空电磁倾子散度探测与成像方法，其特征在于，对采集的交变电流数据以及双源磁场数据获取磁场倾子散度对地下电阻率结构异常目标进行成像和识别包括：

提取测量过程中传感器经纬度和高度信息，利用坐标投影方法，将经纬度和高程信息转化为发射源对应坐标系的(x，y，z)坐标，以时间和空间信息为基准，获取空间位置R_i对应的发射源S1工作时间点t_1i和发射源S2工作时间点t_2i；

对采集的电流数据进行时频变换处理，获取时间点t_1i和t_2i处两个发射源在目标发射频点f_k上电流的幅值相位I_S1(A_fk，θ_fk，t_1i)和I_S2(A_fk，θ_fk，t_2i)，转换为相量形式

和

对采集的双源磁场数据进行时频变换，获取时间点t_1i和t_2i处两个发射源在目标发射频点f_k上产生的三分量磁场的幅值相位，转换为相量形式

按照相同的时间点t_1i、t_2i和目标发射频点f_k，对空中采集的双源磁场数据进行归一化处理，获取空间位置R_i处单位电偶极矩激励下空中磁场值，

其中，

式中，L₁和L₂分别位发射源S1和发射源S2长导线的长度；

对获取的双源归一化磁场信息进行磁场数据融合，分别提取磁场倾子、倾子矢量和倾子散度，利用倾子散度对测量区域进行面积性成像，识别异常目标空间分布特征。

4.按照权利要求3所述的正交源频率域地空电磁倾子散度探测与成像方法，其特征在于，

基于归一化双源磁场数据，获取空间位置R_i，目标发射频点f_k时的x和y方向的磁场倾子分量T_zx和T_zy：

分别提取磁场倾子分量T_zx和T_zy的实部，获取观测位置R_i处，目标发射频点f_k时的倾子矢量A_r(f_k，R_i)，其中，

式中，

和

分别为x方向和y方向磁场倾子实部，

和

为正交单位矢量；

在整个测区内，求取所有观测点位置的倾子矢量，求取每个测点上倾子实感应矢量散度DTV，利用倾子散度值，结合对应空间平面位置，对某个目标发射频点f_k进行x和y反向2维平面成像，其中，

按照频点顺序，由高频至低频依次对二位倾子散度图像沿Z轴方向排列，获取空间三维倾子散度成像，其中，高频对应浅部结构，低频对应深部结构。

5.按照权利要求4所述的正交源频率域地空电磁倾子散度探测与成像方法，其特征在于，DTV成像正值指示地下高阻异常结构，DTV负值指示低阻异常结构，DTV为0值指示大地电阻率均匀分布，DTV异常中心和边界对应电阻率结构异常中心与边界。

6.一种正交源频率域地空电磁倾子散度探测与成像系统，其特征在于，该系统包括：

工作于地面的发射系统、空中移动平台搭载接收系统以及GPRS远程监控系统，其中，发射系统包括正交发射源和发射电流记录装置，每个发射源通过接地长导线向地面发射含有多个频率成分的正负双极性波，发射电流记录装置记录每次发射的交变电流数据，接收系统包括飞行器携带的三分量磁传感器和接收机，在GPRS远程监控系统的控制下测量空中的双源磁场数据。

7.按照权利要求6所述的系统，其特征在于，所述三分量磁传感器按照预先设定的测网测线飞行，测量正交发射源在目标频点产生的交变磁场信号，同时以时间为基准记录采集时刻三分量磁传感器的空间位置信息。

8.按照权利要求7所述的系统，其特征在于，该系统包括成像模块，用于对采集的交变电流数据以及双源磁场数据获取磁场倾子散度对地下电阻率结构异常目标进行成像和识别，具体为：

提取测量过程中传感器经纬度和高度信息，利用坐标投影方法，将经纬度和高程信息转化为发射源对应坐标系的(x，y，z)坐标，以时间和空间信息为基准，获取空间位置R_i对应的发射源S1工作时间点t_1i和发射源S2工作时间点t_2i；

对采集的电流数据进行时频变换处理，获取时间点t_1i和t_2i处两个发射源在目标发射频点f_k上电流的幅值相位I_S1(A_fk，θ_fk，t_1i)和I_S2(A_fk，θ_fk，t_2i)，转换为相量形式

和

对采集的双源磁场数据进行时频变换，获取时间点t_1i和t_2i处两个发射源在目标发射频点f_k上产生的三分量磁场的幅值相位，转换为相量形式

按照相同的时间点t_1i、t_2i和目标发射频点f_k，对空中采集的双源磁场数据进行归一化处理，获取空间位置R_i处单位电偶极矩激励下空中磁场值，

其中，

式中，L₁和L₂分别位发射源S1和发射源S2长导线的长度；

对获取的双源归一化磁场信息进行磁场数据融合，分别提取磁场倾子、倾子矢量和倾子散度，利用倾子散度对测量区域进行面积性成像，识别异常目标空间分布特征。

9.按照权利要求8所述的系统，其特征在于，所述成像模块还包括：根据归一化双源磁场数据，获取空间位置R_i，目标发射频点f_k时的x和y方向的磁场倾子分量T_zx和T_zy：

分别提取磁场倾子分量T_zx和T_zy的实部，获取观测位置R_i处，目标发射频点f_k时的倾子矢量A_r(f_k，R_i)，其中，

式中，

和

分别为x方向和y方向磁场倾子实部，

和

为正交单位矢量；

在整个测区内，求取所有观测点位置的倾子矢量，求取每个测点上倾子实感应矢量散度DTV，利用倾子散度值，结合对应空间平面位置，对某个目标发射频点f_k进行x和y反向2维平面成像，其中，

按照频点顺序，由高频至低频依次对二位倾子散度图像沿Z轴方向排列，获取空间三维倾子散度成像，其中，高频对应浅部结构，低频对应深部结构。

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